新工科背景下密碼學實踐教學建設探索

曾 光，王 洪，段乾恒，楊 陽

（中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學 應用數學系，河南 鄭州 450000）

0 引言

網絡空間安全已成為各國競相爭奪的戰略制高點，黨的十九大鮮明提出要“營造清朗的網絡空間”，達到這一宏偉目標離不開網絡空間安全技術、離不開密碼學的有力支撐。密碼學一方面覆蓋內容較多，涉及豐富的數學知識，另一方面與密碼學相關的技術、知識更新速度快，且具有較強的實踐性。要實現新工科形勢下院校的新型人才培養目標，必須大力加強面向實踐需求的人才培養與建設。本著產業需要什么人才就培養什么人才的原則，加大密碼學實踐化培訓力度，切實滿足網絡空間安全現實需求，使人才培養具有對相關產業的支撐引領作用[1]。通過對密碼學內涵外延和產業需求的深入研究分析，筆者認為實踐化目標對課程體系設置、培訓環境建設和師資隊伍建設賦予了新含義、新生命，為密碼學建設指明了新方向。

1 密碼實踐化豐富課程新內涵

密碼學的院校教育工作必須圍繞培養密碼素質入手，著眼就業需求，動態地對已有專業訓練內容進行充實，使學生不斷了解網絡空間安全的相關理論，掌握密碼學相關基礎理論，學會密碼工程項目的運作與管理，提高訓練實踐能力，初步具備從事網絡空間安全相關工作的素質和意識。

1.1 兼顧數學計算機基礎重塑課程

網絡空間安全是一個集成數學、計算機、通信等學科知識的交叉學科，該領域的人才培養需要專業知識和工程能力的高度復合。網絡空間安全原有的課程體系多以數學素養教育為核心[2]，而密碼學在網絡空間安全學科的拓展需要學生的素質高度交叉融合，筆者特此選定了以數學和計算機并重為基礎、強化工程實現意識的課程設計：一是夯實數學理論知識基礎，認真分析密碼算法、密碼協議、密碼應用、密碼系統所需要的數學基礎，科學地平衡數學和計算機課程的邏輯關系和比例分配，設置代數與分析、概率與統計、組合與安全、密碼理論、密碼應用等課程模塊；二是打牢計算機技能基礎，以計算機組成原理、數據結構、操作系統和計算機網絡作為主要教學內容，對實訓環境和網上虛擬實驗室進行優化重構，鼓勵學生與非本專業學生組隊參加各種競賽活動，不斷加深對計算機的理解；三是強化計算工程意識，培養學生算法思維，鍛煉學生將數學知識轉化成算法的能力、將簡單算法轉化為并行算法的能力、從海量數據中進行挖掘的能力，并初步具有高性能計算基礎的能力，構建以數學計算為核心的計算工程視野。

1.2 專業核心課程增加實踐比重

按照網絡安全行業人才需求，系統優化教學設計，加大專業核心課程實踐環節比重[3]，由以往的750學時增加到900學時，約占人才培養方案的1/3。專業核心課程的明確導向就是提升密碼應用能力，并與國家的密碼發展戰略相互動：一是增加信息知識、突出實踐意識，教學工作圍繞學生信息化素質培養展開，著眼動態地對教學內容進行充實，使學生掌握信息化的理論與實踐，學會使用信息化工具，將知識轉化為信息化實踐能力的過程必須在實踐環節中不斷積累；二是創新實踐環境、強化實踐意識，模擬與仿真現實環境，不僅可以讓學生感受實際工作氛圍、體驗實際工作過程，更能夠讓其快速具備網絡空間安全實踐的能力和素質，讓學生在全場景、全流程、全感知的綜合實踐化環境中得到有效鍛煉；三是開發團隊實踐項目、培養團隊實踐能力，積極開展以課題、實用化產品開發為牽引的教學組織模式，將學生按照不同專業和層次分成3～5人的小組，安排指導教師帶領學生開展就業相關的網絡空間安全產品研發與課題研究，完成綜合素質項目和學生創新計劃，以全國性比賽為牽引，加強學生的工程實踐綜合能力訓練。

1.3 面向產業課程吻合實際需求

以符合產業需求、適應網絡空間安全相關行業人才培養為終極目標，在院校教育與行業教育之間做平穩銜接。利用行業的具體應用，如區塊鏈的應用，確定實踐科目內容為工作量證明機制的實驗，加強密碼算法的應用實踐，認清密碼算法在區塊鏈系統安全的作用。具體做法：一是全員提升實踐能力，結合訓練目標，建設操作性較強的實踐類課程，規范訓練流程，分層次確定訓練方式，完善針對性的教學訓練設施，構建集“教學、訓練、協作”為一體的密碼控制與協同開發課程，實施階梯式項目管理、協作與開發能力培訓；二是加強基本技能訓練，從代碼分析、數據分析、算法分析、系統分析4個維度各開設1門技能課程，加強針對性訓練，強化專業技能；三是培養管理能力，針對密碼攻防的信息不對稱性，加強學生對密碼信息的判斷能力，學習技術實戰運用，培養創新實施能力，增強謀略行為訓練，建設密碼組織與管理課程，提高科技運用決策和智能謀略水平。

2 密碼實踐化指明教學環境建設新方向

當前，大數據時代正在到來，與密碼相關的網絡安全事件隨之而呈暴發性增長態勢，新理念、新方法、新技術層出不窮。網絡空間安全專業學生不僅要強化專業素養，全面掌握密碼學的專業基礎知識，更需要具有熟練掌握使用工具完成任務的能力。此外，還需要培養學生自我學習、自我進化的創新意識和能力。這些能力的培養和實踐意識的養成需要契合的教學平臺作為堅強保障[4]。為此，可以依托基礎理論實踐輔助平臺、實踐技能錘煉平臺、綜合演練模擬平臺，強化3個層次的能力培養：基礎理論實踐輔助平臺為密碼學與信息安全輔助平臺；實踐技能錘煉平臺為對稱密碼、公鑰密碼和密碼應用平臺；綜合演練模擬平臺分為兩類，一類是密碼算法與協議的綜合演練，另一類是網絡攻防系統中的密碼演練部分。通過3個層次形成從基礎知識點的學習到實踐技能培養，從強化個人單項技能到綜合性全面技能、系統安全思維培養的綜合性教學支撐環境。

2.1 基礎理論實踐輔助平臺

基礎理論實踐輔助平臺是實現從課程講授到實踐技能培養的橋梁：一是設置特色基礎教學實踐模塊，結合專業課程設置，重視實踐化教學基礎模塊的構建，為課程理論講授提供可驗證、可演示的基礎支撐環境；二是打通基礎模塊到支撐環境的橋梁，依托通專結合的可重構計算設備、高性能密碼分析設備、安全協議數據解析環境、網絡密碼模擬仿真環境等終端體系，構建密碼學輔助教學系統、密碼分析教學平臺等核心支撐模塊，為相關課程提供前端教學實踐平臺和基本的操作演練環境；三是凝練實踐輔助平臺的核心功能，輔助平臺側重于為基礎課程教學提供實踐環境，強調理論講授的可視化、形象化、系統化；為改進教學效果提供硬件支持，同時也為實踐技能錘煉平臺提供前端的技術與平臺支撐。

2.2 實踐技能錘煉平臺

網絡空間安全專業的人才培養，在打牢密碼學相關理論基礎的前提下，重點要強化學生的實踐技能：一是強化核心實踐能力，在基礎理論實踐輔助平臺的支撐下，重點打磨學生在實際工作中需要的編程能力、基礎數據處理與分析能力、逆向分析能力和系統化思維能力；二是促進形成系統化分析理念，依托各類密碼機制模擬系統，讓各層次學生體驗從終端到服務端，從理論技術到實用化產品的全流程、立體化密碼算法、協議工作原理與機制；三是突出專項技能的培養與強化，學生深入了解各類密碼系統特征，能夠更好地將基礎實踐經驗、技巧打磨成實踐能力。對個人綜合能力及單項技能進行升級強化，為系統化密碼人才培養提供基礎支撐。

2.3 綜合演練模擬平臺

以基礎平臺為支撐，形成完備的綜合演練平臺：一是加強綜合意識培養，密碼學的人才培養，除了單項密碼專項技能外，還需要強化系統安全意識，初步具備從事網絡安全產業的基本素質。為此，在實踐技能培養的基礎上，通過畢業設計、實習、綜合演練，以及密碼數學挑戰賽、密碼技術競賽等各類學科競賽與科技創新等環節，強化密碼理論應用能力；二是打造多平臺協同的實踐生態系統，大力加強密碼綜合演練系統、密碼系統側信道分析、網絡協議自動化分析等系統的有機組合與重構。打破系統固有邊界、增強系統的耦合，構建學生在密碼分析時的系統化思維；三是促進學生綜合分析能力的全面升級，培養學生的綜合能力，包括科研攻關能力，有針對性的培養學生對密碼系統的綜合分析以及適應新密碼裝備、新密碼系統的能力。

在相關平臺的支撐下，實現人才培養工作從理論到實踐，從應用到開發的重大轉變，從而完成全方位的知識學習、技能實踐、系統化思維和綜合分析能力培養的任務。

3 密碼實踐化推進師資隊伍實踐新發展

立教之本在教師，興教之源看人師。高素質、高水平的師資隊伍是保證實踐教學效果的關鍵因素。教師是人才培養工作的主體，是人才培養的中堅力量，也是科研的主力軍。密碼學實踐教學需要一支師德高尚、業務過硬、富有創新精神的復合型、高素質教師隊伍，更需要一支真懂實踐、會教實踐、扎根實踐的師資隊伍[5]。

3.1 增強實踐化導向，探索科學的實踐化人才培養機制

網絡安全領域相關理論和技術飛速發展，多學科多領域深度融合，新情況、新問題層出不窮：一是根據學科整體布局和發展需要，制訂青年骨干教師送學發展計劃，擴寬教學科研視野；選派教學骨干到國內外高校、科研院所訪學，學習先進教學方法和教學理念，了解和掌握最新科學進展，提高青年教師教學科研能力，構建教學名師、學科帶頭人、骨干教師構成的高層次人才體系；二是根據實踐化需求，加強院校和相關企業間交流，多渠道了解實踐化最新進展；通過校企交流項目，加大對校內外、國內高水平密碼人才的邀請力度和頻度，聘請知名企業專家作系列專題講座。積極引進校內外、國內外先進教學平臺，提高教師實踐化平臺應用水平；三是利用好國家重大人才工程項目，積極培養青年教師和骨干講師，做好相關教師的職業規劃，為密碼學培養出復合型、高素質的教師隊伍。

3.2 加強教師實踐經歷，提高教師實踐化教學能力

密碼學的實踐化教學，離不開一支真懂實踐、會教實踐的教師隊伍：一是加大密碼學專業教師與知名企業之間的交流力度，安排青年教師（尤其是沒有企業實踐經歷的教師）到相關企業參觀訪問，鼓勵教師利用寒暑假到相關單位交流學習；二是創新院校與企業之間的交流模式，依托合作單位，采取選派教師參加或觀摩合作單位的實踐化演練等活動，體會企業文化氛圍，掌握企業發展前沿動態，融入產業信息安全科研項目，使院校教學工作更加貼近產業需要；三是經常邀請各大知名業務專家到院校講學，介紹實踐化細節，鼓勵教師與企業之間協同開展相關課題研究，豐富實踐案例庫，有針對性地加強教師實踐化教學能力建設。

3.3 加強實踐化氛圍建設，積極開展專業特色文化建設

密碼實踐化教學需要一支長期扎根院校、服務院校的教師隊伍。建設這樣的隊伍，離不開特色文化，這也是實踐化建設的重要內容和維度：一是加大特色網絡空間安全文化展示和人文關懷，通過展板、條幅等媒介，加強對院校相關專業的歷史沿革、輝煌成就教育，激發教師和學生的職業熱情和使命認同感；二是加大對教學實際先進人物事跡介紹，利用好教學活動、輔導答疑時間，介紹優秀人物事跡，利用鮮活的形象推動特色文化的凝聚和引領作用，增強教師長期扎根院校、服務院校的事業心；三是有意識地為教師實踐化教學建立一個實踐文化環境，通過對實驗室實踐化環境改造，凸顯實踐化氛圍、塑造實踐化意識，嚴格以實踐化要求指導日常教學、科研活動。